基于GPRS技术的远程LED大屏幕信息显示系统的设计毕业论文.doc

山东交通学院毕业设计(论文)基于GPRS技术的远程LED大屏幕信息显示系统的设计毕业论文目 录前 言11 绪论21.1国内外研究现状及水平、研究目标及意义21.2课题的目的、意义及主要研究内容52 系统总体设计方案62.1方案的比较与选择62.2系统的总体设计方案73 系统的硬件设计93.1GPRS无线数据模块93.1.1 CM3150P GPRS DTU产品概述93.1.2 CM3150P GPRS DTU功能特性和技术规格103.2串行通信模块设计123.3控制单元模块设计183.3.1 AT89C51RC单片机介绍183.3.2 AT89C51RC单片机I/O端口的扩展223.3.3控制单元模块驱动方法233.3.4 AT89C51RC单片机程序存储器的扩展253.3.5控制单元模块的工作原理303.3.6显示与控制的设计303.3.7单片机动态显示控制313.4 LED点阵显示模块电路设计324 系统软件设计344.1软件开发平台及开发语言介绍344.2上位机通信模块的设计364.3汉字编码原理394.4字模的制作与代码地提取保存414.5下位机通讯软件424.6显示系统的程序流程图及程序465 总结与展望475.1总结475.2展望47致 谢49参考文献50附 录 A LED显示屏的程序5153前 言LED点阵电子显示屏是以发光二极管为图素，用高亮度LED晶粒进行数组组合后，再透过环氧树脂和塑模封装而成。具有高亮度、功耗低、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀，色彩鲜艳，动态范围广，工作稳定可靠等优点，为众多显示媒体以及户外作业显示的理想选择 。同时也可广泛应用到军事、车站、宾馆、体育、新闻、金融、证券、广告以及交通运输等许多行业 。目前大多数的LED点阵显示系统自带字库。其实现主要依靠硬件扫描驱动，该方法虽然比较方便，但显示只能按照预先的设计进行。而实际上经常会遇到一些特殊要求的动态显示，比如某些智能仪表幅值的条形显示、广告中厂家的商标显示等。这时一般的显示系统就很难达到要求。另外，由于受到存储器本身的局限其特殊字符或图案也往往难以显示，同时显示内容也不能随意更改。如果上位机与下位机直接通过数据线连接，则会带来安装不便，不能实现远距离传输数据。本文借助于GPRS无线网络技术，随时将信息从计算机通过标准的RS232转GPRS数传模块直接传输到远端的基于AT89C51RC单片机控制的LED显示屏上显示。这种方法不仅可以随意更改显示内容，方便信息管理，而且当LED有损坏时也方便维护，也解决了布线的问题。本文基于GPRS远程无线传输的LED大屏幕显示系统的硬件由上位机管理模块、串行通信模块、GPRS数传模块、控制模块和LED显示模块五部分组成，软件的设计主要包括上位机与下位机部分的设计。由于VB支持面向对象的程序的设计，具有结构化的事件驱动编程模式而且可以十分简单地做出良好的人机界面，所以上位机管理模块软件的设计主要研究利用其通信控件MSComm完成上下位机通信的控制和汉字点阵字模的获取。下位机采用汇编语言设计LED显示系统的显示程序，从而使单片机从上位机接收来的汉字字模点阵数据信息存放于一个数据链表中，并根据要求依次将要显示的数据送到显示部分，从而驱动16个二极管工作，通过二极管的亮灭来完成对汉字信息的显示。1 绪论1.1国内外研究现状及水平、研究目标及意义（1）国内外研究现状及水平LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成平板显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。从LED显示屏的发展过程来看，首先出现的是以显示短小文字信息为主的条形图文显示屏，继而开发出灰度LED图像显示屏。全彩色视频显示屏把LED显示屏的地位提升到一个全新的高度，达到了其它类型显示屏难以匹敌的水平。LED点阵显示根据应用领域和要求不同可以分为很多种。常用的足采用单片机为控制核心的LED点阵显示，显示的数据预先存贮在ROM中，当程序运行时，单片机负责依序将ROM中存储的数据进行读取、传输和显示。这种方式优点在于廉价、实现简单，适用于显示字符较少或显示画面不大的场合，并且很少更改显示内容。但足当显示厕面大，显示内容多且较复杂，光靠单片机处理不过来，或者用户希望能随时改变显示内容或画面时，就需要有更加灵活的LED显示系统。国内同前已经有针对上述问题而研制出的相应LED点阵显示系统，该系统由PC来控制显示信息的发送。有些通过有线方式传输显示数据，解决了不能随时更改显示内容的问题；另一些通过无线网络来传输数据，实现远程控制更新显示内容，解决了布线的问题，使得LED点阵显示屏的应用范围更加广泛。近年来，国外除了继续进行提高LED发光亮度、降低工作功耗和生产成本等基础研究外，目前更注重于高真彩、高分辨率、高对比度等技术的LED屏的研究。我国的LED显示屏产业基本上是在市场需求的引导下自主发展形成的，在我国LED显示市场的拓展中，不乏以技术和产品引导市场的范例。服从市场导向并积极引导市场仍将是未来LED显示产业发展的主要模式。我国的LED显示应用产业近年将持续保持高速增长，未来发展空间巨大，但产业发展的风险和机遇并存，关键核心技术的提升、市场环境的规范、技术标准体系的建立等影响产业发展的主要因素，需要我们在实践中继续努力改进和完善。（2）LED大屏幕显示系统的发展趋势 我国LED显示屏产业自上世纪90年代以来，在规模迅速发展的同时，产品的技术也在不断地更新，一直保持在该领域比较先进的水平。LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。据业内专家预测，今后几年全球LED各类显示屏(含全彩、伪彩、双色、单色屏等 )需求将达到每年几百亿美元，且需求量还在逐年递增。国际大都市如纽约、巴黎、伦敦、东京等都普遍使用大型LED全彩显示屏作为信息传播、广告宣传的新型载体。在中国，随着经济的飞速发展，国内市场LED显示屏需求增长率更是高达30%以上。由此可见，LED显示屏正成为现代信息传播的一种重要载体，已经成为现代信息社会的一个闪亮标志。LED显示屏的技术范围包括半导体光电器件技术、电子电路技术、集成电路技术、信息图像处理技术、信息传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工程相关技术。在LED显示屏技术中，以下方面的技术在实践中不断提高并普遍受到关注和重视。1） 显示颜色、亮度和视角基础半导体工业的迅速发展，带动了发光二极管制造材料以及制作工艺的改进，在颜色与亮度方面都有了质的飞跃，高亮度、蓝色及纯绿色发光二极管以产业化并得到应用。目前LED显示屏从颜色上能满足室内外不同环境下的单色、双基色、全彩色显示要求，四元素的红色LED器件及高亮度蓝色、纯绿色在室外显示屏中得到普遍应用在显示屏制作上采用SMD表贴技术的LED器件，可以获得更好的视角和亮度，目前已在高密度、全彩色室内显示屏中得到应用，但是相对成本比较高，随着器件成本的降低，未来会有比较大的市场潜力。2） 灰度控制技术LED显示屏在进行图文显示时，对同一基色采用级差间隔亮度，实现颜色的组合，一般可做到16级、64级、256级灰度。为使显示效果更符合人眼的视觉特性，出现了非线性级差调灰技术，即在低亮度区级差小，增加级数，逐步到高亮度区时增大级差，形成视觉效果上的“级差一致性”。目前LED显示屏灰度控制一般都在256级，通过采用非线性调灰技术，显示屏的显示效果比较理想。实际上，收数据、图像的信号源的制约，单纯追求大数量级的灰度控制，在使用中实际价值是值得考虑的。3） 驱动电路LED显示屏广泛使用的驱动电路是基于通用型集成电路来设计的，原理比较简单，价格便宜，产品的技术开放性比较强，通用IC设计的驱动电路在室内外单色、双基色显示屏方面应用比较成熟，目前仍然是主流的驱动电路。近年恒流驱动IC的发展较快并受到重视和广泛应用。恒流驱动技术根据LED器件的发光与驱动电流高度相关的特点，大大提高了LED显示的均匀性，同时，减少了显示驱动电路的阻容元件，降低了故障点，使LED显示屏更可靠、亮丽。LED显示屏专用的IC在国内外一直受到关注。近年，国外的IC制造商相继推出一些用于LED显示专用的IC驱动芯片，如TI公司推出的LED Driver等，这类芯片对原来通用驱动IC的集成度进行了提高，使显示屏的驱动电路设计简捷方便，功能上也有所提高，但同时成本也相应增加。国内外LED显示屏制造商纷纷投入力量，研制开发设计适合自己产品发展需要的大规模或超大规模的专用LED驱动电路。这类专用IC相对复杂，功能较强。LED专用驱动IC简化了显示屏系统设计的复杂程度，在一定程度上增强了显示屏的功能，提高了整体的稳定性，具有积极的意义。但是，也应该看到，我国各个LED制造商设计开发的LED专用驱动IC基本上是自用，批量规模不够，导致产品的开发性差，另外，过分追求一些实际意义不大的功能的设计，从价值成本方面分析也不尽合理。4） 系统控制技术显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换和数字化处理电路、输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其中为业内关注并研究开发和应用的关键技术包括：串行传输与并行传输、动态扫描与静态锁存、输入接口技术、自动检测、远程控制技术等。5） 通信传输和网络控制根据对信息传输显示的实时性，LED显示屏的通信传输控制和视频传输。视频传输方式则是把LED显示屏与多媒体技术结合起来，实现了在LED显示屏上实时显示计算机监视器上的内容，也可播放录像及电视节目，一般用于播放实时信息的显示屏都采用视频控制方式。具体传输是采用成对的专用长线传输接口电路。另外，随着计算机网络技术的发展，LED显示屏在网络环境下的使用情况越来越多，在多媒体、多种显示设备组成的信息显示系统中，采用智能化网络控制，联网控制多屏技术也在实际中得到应用。 （3）LED显示技术存在的主要问题考虑到信息显示屏的数量会越来越多，种类也千差万别，特别是有的信息显示屏将工作在离市区较远或离地面较高的地方，这就给产品维护及显示信息的管理带来了极大的不便。其主要表现为以下几个方面：1） 维护不方便在控制室里根本不知道显示屏是否出现信息显示错误或某些LED发光管是否损坏等问题，也不知道信息显示屏会什么时候出现故障，因此只能要求维护人员定期去检查和维修。这就会出现有了故障而没有去及时维修，也会出现没有故障而维护人员还要定期去检查的浪费人力、财力的问题。如果能在控制室内就能监测到较高或较远的信息显示屏的运行情况，这样在出现问题的时候就可以及时修理，同时也可以避免在运行正常时还不得不做得维护工作。2） 信息管理不方便用户要经常改变显示屏要显示的信息，从而信息存储器的内容需要进行频繁的刷新。而每一次的显示信息改动，维护人员都要把微处理器（如51单片机）从现场拿回来重新编程，再送回显示屏上运行，以显示需要的信息。如果能在控制室内用某种方法就可以对郊区及更远地方的信息显示屏进行控制，方便地改动要显示的信息的话，不但能节省一定的维护费用，而且能大大提高信息显示屏的工作效率。在不久的将来，信息需要网络化、统一化、安全化管理。因此，一个好的通信方法对于LED显示屏在将来的发展具有关键性的意义。3） 空间及可视性不好现有的LED显示屏常要占用很大的空间，给显示屏的安装及维护带来很多的不便。另外，由于显示屏的空间限制，我们在很多场合下都只能从固定的角度范围内才可以看到显示屏的内容，这就要求我们要想办法改变现有的平板显示，让它的显示范围更大，方便我们从各个角度都可以看到所显示的信息。1.2课题的目的、意义及主要研究内容（1）课题的目的及意义针对上面提到的现有LED显示屏所存在的问题，引出了课题“基于GPRS远程无线传输的LED大屏幕显示系统的设计”。 通过GPRS无线网络技术，随时将信息从计算机通过标准的RS232转换模块传输到远端的显示屏。这种方法不仅可以随意更改显示内容，方便信息管理，而且当LED有损坏时也方便维护。（2）课题的主要研究内容本系统主要研究将LED大屏幕上的信息通过GPRS技术实现 实现远程控制，主要是采用GPRS无线网络，把PC机上的内容发送到AT89C51RC单片机中，通过单片机对LED点阵显示屏进行控制，由于GPRS数据模块上的通信与单片机中的串口通信接口电平不同，故采用MAX-232进行电平转换，从而实现串行通信。在单片机的控制下将数据通过MAX232传递给单片机，然后数据先暂存到单片机里，接着再存如EEPROM X5045里，工作的时候，单片机从X5045里读出信息数据，传输给LED显示屏显示出来，当然通过程序的设定可以实现汉字的移动显示以及闪烁等功能2 系统总体设计方案2.1方案的比较与选择（1）控制模块比较与选择方案一：采用 PLC（可编程逻辑控制器）作为控制器。使用SIEMENS公司的 S7200 CPU224型PLC作为主控制器，SETP7-Micro/WIN32作为编程软件。PLC的特点是可靠性高，I/O接口丰富，采用模块化结构，扩展方便，安装简单等特点。PLC广泛地用于工业控制领域，但是其输入会有10至20ms的延迟时间，且价格昂贵，本系统对扫描速度的要求很高，所以不采用。方案二：采用MCS-51系列单片机作为控制器。使用MCS-51系列单片机作为主控制器，WAVE6000编程软件和汇编语言对系统软件进行编写和调试。该系列单片机内部资源丰富，集成了内部看门狗、数据指针、定时计数器及全双工串行异步通信接口等功能。编程语言和软件使用方便，对外部扩展器件要求较低，控制简单，价格便宜，且易于购买。其中的AT89C51RC单片机不仅集成上述各种优点，而且更适合于解决大屏幕LED显示系统内存不足的问题。基于以上分析，选用AT89C51RC单片机作为本系统的控制器。（2）LED驱动模块方案一：采用静态锁存方式，将每一个LED发光管的一端接至单片机的一个I/O口，另一端通过电阻接电源。这种方法可以直接驱动LED，原理简单，驱动能力强，LED的亮度也可以通过限流电阻调节，非常方便，但此种方法太浪费单片机的I/O口，只适合于较小的系统。方案二：采用动态扫描方式，通过三极管驱动并联在一起的LED发光管的一端(共阴或共2端)，LED发光管的另一脚接通用I/O口，控制其亮灭。该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。比较以上两种方案，系统设计中采用方案二。（3） 数据存储模块方案一：采用静态RAM存储显示屏的显示内容，静态数据存储器具有存储容量大，传输速度快等优点。但其存储的数据掉电后会消失，因此不适合用于存储长时间不变的数据。方案二：采用ROM芯片存储LED显示屏要显示的信息，采用ROM芯片可以长时间的存储信息，而且掉电数据不丢失，此种方式适合于存储不变的数据。方案三：采用串行EEPROM（如X5045等）存储LED显示屏要显示的信息。串行EEPROM技术是一种非易失性存储技术，它几乎具有所有类型存储器的优点：不挥发性、可更新性、高密度、低功耗和高性价比，非常适合应用于各类工业测控系统。它克服了常用的并行EEPROM器件价格高、体积大、可靠性低等不足等缺点。另外它还集成了电压监控、看门狗功能。比较以上三种方案，方案三有明显的优点，因此选者方案三。（4）远程信息传送解决方案的选择方案一：通过移动网关发送短消息，使用该方法不需要附加的硬件，但是需要到电信部门申请网关，成本高，软件复杂，比较适合于一些大型的网络通信公司进行开发。目前华为、中兴等公司就做的这方面的工作； 方案二：在电脑上通过GSM MODEM向手机发送中文短消息，这是目前比较适合于小项目开发的一种方法，所需硬件包括一款手机，提供GSM MODEM以及相应的数据线或是红外线适配器。该方法编码简单，只需对AT指令和串口编程比较熟悉就可以实现，而且对硬件需求不高，并能自动收发短消息。方案三：通过网站上提供的短信发送功能来实现，比如新浪、网易都提供这方面的服务，这种方法是这4种方法中实现起来最简单，所需资源最少的，但是对于网站的依赖性太强，对网络的依赖同样无法避免，不适用于项目开发； 方案四：使用Internet方式进行远程信息的控制，但是这种控制方式首先是对网络的依赖性很强，没有联网的地方就无法实现，因为它这个网络并不像GSM网络覆盖地域广，再就是编程复杂。方案五：使用GPRS数传模块实现远程信息的控制，GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。GPRS与现有的GSM语音系统最根本的区别是，GSM是一种电路交换系统，而GPRS是一种分组交换系统。因此，GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。 GPRS是2.5代数字移动通信技术,采用先进的无线分组技术，将无线通信与因特网紧密结合，它作为一种先进的、全新的无线网络承载手段，全面提升无线数据通信，跨入无线互联网的崭新时代综合各种因素考虑，优先选用方案五。2.2系统的总体设计方案基于GPRS远程无线传输的LED大屏幕显示系统由上位PC机管理模块、串行通信模块、GPRS数传模块、控制模块和LED点阵显示模块五部分组成。通过PC机（上位机），将编辑好的显示信息通过GPRS Modem远程传给单片机（下位机），然后由单片机将显示信息在LED大屏幕点阵牌（16X16点阵单排8个汉字）上显示出来。系统总框图如下图2.1所示： GPRS网GPRS网络RS-232GPRS DTU发射端GPRS DTU接收端上位机MAX-232AT89C51RC单片机串行EEPROMX5045行列驱动LED显示屏幕图2.1 系统总框图Fig.2.1 system block diagram综上所述，根据选择，本设计选用Atmel公司的AT89C51RC单片机和厦门才茂通信科技有限公司的最新一代GPRS数传模块，利用GPRS网络，实现远程数据的传输。LED点阵显示模块以AT89C51RC单片机为控制中心，对LED点阵显示屏进行控制。由于单片机的存储量有限，无法对整个要显示的汉字进行存储，所以外接串行存储器X5045把要显示的数据进行缓存。运用串口服务器和MAX-232芯片进行TTL电平转换。而要显示的数据由PC机通过GPRS数传模块将数据发送到单片机中。3 系统的硬件设计 3.1GPRS无线数据模块GPRS,SMS无线数传模块(GPRS DTU)是RS232串口到GPRS无线网络TCP/IP协议的双向转换传输设备。变传统的串口通讯为GPRS无线网络通讯，实现串口设备的快速无线联网。转换器采用透明传输的方式，用户不用知道复杂的GPRS通讯原理和TCP/IP协议，不用更改程序即可实现原有串口设备的无线网络连接，节省您宝贵的时间和已有投资。其极低廉的价格能提升您产品的核心竞争力；简单灵活的配置和极高的可靠性能满足您任何苛刻的应用，是理想的选择。在基于GPRS远程无线传输的LED大屏幕显示系统中，发送端和接收端各装一个GPRS数传模块，分别作为发射模块和接收模块，GPRS无线数传模块的接口支持RS-232，通过RS-232与PC机实现串行通信，接受来自PC机的信息并发送出去，在接收端的GPRS无线数传模块通过GPRS网络接收上位机发送过来的信息并通过max-232与单片机实现连接，将信息传给单片机进行处理。GPRS发送接收模块选厦门才茂通信科技有限公司生产的型号为CM3150P GPRS DTU。3.1.1 CM3150P GPRS DTU产品概述CM3150P 工业级GPRS DTU；完全兼容厦门桑荣SARO3150P GPRS DTU；硬件接口：RS232；采用ARM9高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系统RTOS为软件支撑平台,超大内存,内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。公司产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象，路灯监控等行业。CM3150P GPRS DTU接口和配件的外观分别如图3.1和图3.2 所示。 图 3.1 CM3150P GPRS DTU的各接口实图Fig. 3.1 CM3150P GPRS DTU图 3.2 CM3150P GPRS DTU的配件实图Fig. 3.2 CM3150P GPRS DTU3.1.2 CM3150P GPRS DTU功能特性和技术规格（1）CM3150P GPRS DTU软件功能1）TCP/UDP透明数据传输；支持多种工作模式。心跳包技术。2）智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。3）支持RSA，RC4加密算法4）支持虚拟值守VWM（Virtual Man Watch）功能，确保系统稳定可靠5）支持虚拟数据专用网（APN/VPDN）6）支持数据中心动态域名和IP地址访问7）支持DNS动态获取，防止DNS服务器异常导致的设备当机。8）支持双数据中心备份9）支持多数据中心同时接受数据10）支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。11）支持短消息备份及告警。12）多重软硬件看门狗13）数据包传输状态报告。14）标准的AT命令界面15）可以用做普通拨号MODEM16）支持telnet功能。17）支持远程配置，远程控制18）通过串口软件升级19）同时支持LINUX、UNIX和WINDOWS操作系统（2）CM3150P GPRS DTU产品特性CM3150P完全兼容厦门桑荣SARO3150P，同时在以下方面作了巨大提升：1）三层系统保护：在原来两级（软件保护+CPU内置看门狗保护，外置硬件看门狗保护）系统保护的基础上，增加一级系统监测保护SWP（System Watch Protect），彻底解决了业内”假在线”，”假死机”，”当机”等疑难问题。2）超大缓存： 可以提供16M的客户传输数据缓存，解决因网络瓶颈导致的数据丢失3）高速处理CPU： 采用极高速ARM9的工业级CPU，可以更加高速地处理各种协议数据转换，规避因CPU处理速度慢而导致的数据重传和丢失等问题4）DNS自动获取：自动获取DNS，不再需要人工配置输入DNS，规避了因为选择的DNS服务器异常，导致DTU设备当机的严重现象！5）完善的协议栈：新系统加载了完善的TCP/IP协议栈，原来系统采用的是轻量级TCP/IP(LPIP)协议栈，协议栈是有裁剪的，新系统采用了完善的TCP/IP协议栈，网络通信性能优异。6）EMC性能优异：通过电力3000V电击测试，特别适合在工业领域环境恶劣下使用，系统稳定可靠。7）支持多中心：客户数据可以同时往客户指定的监控中心发送，最大支持发送中心达256个8）RTU全面支持：新款设备在数据位、停止位、校验位、流控上，能全面支持业内的所有型号的RTU。解决了原来无法支持7位数据和2位停止位的问题。（3）CM3150P GPRS DTU无线参数1）支持EGSM900/GSM1800无线网络2）GPRS multi-slot class 103）编码方案：CS1CS44) 符合SMG31bis技术规范5) Compliant to GSM phase 2/2+6) 支持数据、短信7) 支持13K QCELP音频编解码 （4）CM3150P GPRS DTU 硬件系统1）CPU:工业级ARM9 CPU，200MPS,16K Dcache，16K Icache2) FLASH：8MB（可扩展至32MB）3) SDRAM：64MB（可扩展至256MB）4)串口：RS232 serial port, (Support RS422/RS485 if needed)Rate:110bps230400bpsData bits :7 or 8Parity: None, Even, OddStop bits: - 1 or 2Flow contro: None or RTS/CTSProtection 15 kV ESD and short circuitConsole : RS-232, 115200 bps, 8 data bits,1 stop bit, no parity (8N1)指示灯：具有电源、通信、在线及以太网口LINK/ACT指示灯。天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。SIM/UIM卡接口：标准的抽屉式用户卡接口（3V/5V）。电源接口：标准的3芯火车头电源插座。语音接口：标准的耳机麦克风接口。（预留，可选）5）供电外接电源：DC 9V 1.5A宽电压供电：DC 5-32V6）其他参数工作环境温度 -25 +65C储存温度 -40 +85C相对湿度 95%(无凝结)3.2串行通信模块设计（1）RS232通信标准介绍RS-232标准的全称是EIA-RS-232C，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美国电子工业协会，RS（Recommended Standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS-232的最新一次修改（1969）。它规定了连接电缆的机械、电气特性、信号功能及传送过程。例如目前在PC机上的COM1、COM2接口就是RS-232接口。串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种，但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS-232为主来讨论。RS-232标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232制式兼容的通信设备，因此它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。虽然RS-232标准现在已被广泛应用于计算机的接口部件中，但仍有一些问题需要注意。首先，RS-232标准最初是为了在远程通信中连接数据终端设备DTE（Data TerminalEquipment）与通信设备DCE（Data Communication Equipment）而制定的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借用于计算机（更准确的说是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定是和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。其次，RS-232标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。现在，计算机上的串行通信端口（RS-232）是标准配置端口，已经得到广泛应用，计算机上一般都有12个标准RS-232串口，即通道COM1和COM2。RS-232对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了明确规定。在TXD和RXD引脚上电平定义：逻辑1(MARK) -3V-15V逻辑0(SPACE) 315V在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD等控制线上电平定义：信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V以上规定说明了RS-232 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑1的传输的电平为-3V-15V，逻辑0传输的电平为+3V+15V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平为+3V+15V，断开状态(OFF)即信号无效的电平为-3V-15V，也就是当传输电平的绝对值大于3V 时，电路可以有效地检查出来；而介于-3+3V之间的电压即处于模糊区电位，此部分电压将使得计算机无法准确判断传输信号的意义，可能会得到0，也可能会得到1，这样得到的结果是不可信的，体现在通信上是会出现大量的误码，造成通信失败。因此，实际工作时，应保证传输的电平在(315)V 之间。目前，大部分计算机的RS-232通信接口都使用了DB9连接器，如图3.3所示，主板的接口连接器有9根针输出（RS-232公头），也有些比较旧的计算机使用DB25连接器输出，表3.1中介绍了DB9和DB25输出接口的引脚定义.管脚电路如图3.3所示。RS-232规定最大的负载电容为2500pF，这个电容限制了传输距离和传输速率，由于RS-232的发送器和接收器之间具有公共信号地（GND），属于非平衡电压型传输电路，不使用差分信号传输，因此不具备抗共模干扰的能力，共模噪声会耦合到信号中，在不使用调制解调器（MODEM）时，RS-232能够可靠进行数据传输的最大通信距离为15米，对于RS232远程通信，必须通过调制解调器进行远程通信连接。图 3.3 RS-232 DB9连接器管脚电路图Fig .3.3 RS-232 DB9 connector pin diagram 表3.1 RS-232引脚定义Tab.3.1 Pin Definition of RS2329针RS232串口（DB9）25针RS232串口（DB25）引脚简写功能说明引脚简写功能说明1CD载波侦测8CD载波侦测2RXD接收数据3RXD接收数据3TXD发送数据2TXD发送数据4DTR数据终端准备20DTR数据终端准备5GND地线7GND地线6DSR数据准备好6DSR数据准备好7RTS请求发送4RTS请求发送8CTS清除发送5CTS清除发送9RI振铃指示22RI振铃指示现在个人计算机所提供的串行端口的传输速度一般都可以达到115200bps甚至更高，标准串口能够提供的传输速度主要有以下波特率：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps等，在仪器仪表或工业控制场合，9600bps是最常见的传输速度，在传输距离较近时，使用最高传输速度也是可以的。传输距离与传输速度的关系成反比，适当地降低传输速度，可以延长RS-232的传输距离，提高通信的稳定性。RS-232规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不同的，例如：RS-232的逻辑1是以-3-15V来表示的，而单片机的逻辑1是以+5V来表示的，两者完全不同。因此，单片机系统要和电脑的RS-232接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS-232电平，或者把计算机的RS-232电平转换成单片机的TTL电平，通信时候必须对两种电平进行转换。实现这种转换的方法可以使用分立元件，也可以使用专用RS-232电平转换芯片，如MAX232。SP3232E具有两路独立的电平转换电路，各引脚说明如下：1)TIOUTT20UT：RS一232驱动器输出。2)RIINR2IN：RS一232接收器输入。3)RIOUTR20UT：TLCMOS接收器输出。4)T1INT2IN：TTLCMOS驱动器输入。本系统设计通过标准的DB一9接口完成与PC机串口的连接，电路连接如图3.4所示。图3.4 串行通路电路图Fig. 3.4 Serial access circuit以上接法只使用了一路收发管脚。在设计程序时，直接进行数据的接收和发送就可以，不需要对信号线的状态进行判断或设置。只有需要使用握手信号等应用的场合，需要对相应的信号线的状态进行监测或设置。（2）MAX232芯片介绍及其应用MAXIM 公司的MAX232是MAXIM 公司特别为满足EIA/ TEA2232E 的标准而设计的。它们在EIA/ TIA2232E 标准串行通信接口中日益得到广泛的应用,它们具有功耗低、工作电源为单电源,外接电容仅为0. 1 或1F 、采用双列直插封装形式、接收器输出为三态TTL /CMOS 等优越性, 为双组RS2232 接收发送器, 工作电源为+ 5V,波特率高, 仅需外接0.1F 或1F的电容。其价格低, 可在一般需要串行通信的系统中使用。RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够使计算机接口与TTL器件终端连接，必须在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换。和其它的单片机器件一样，作为单片机的标准外围电路，实现这种变换的方法可用分立组件，也可用集成电路芯片。在这里，主要采用专用芯片进行电平转换的方法。目前较为广泛的是使用集成电路芯片，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。但MAX232芯片可完成TTL电平和EIA电平的双向转换，在这里就以MAX232为例进行讨论。MAX232 主要由三部分组成: 电压倍增器、RS2232 接收器、RS2232 发送器。下面会分别介绍。（1）电压倍增器其工作原理如图3-5所示。当正脉冲到来时，S1、S3闭合，S2、S4断开，VCC给C1充电；接着脉冲为负，S1、S3断开，S2、S4闭合，S5、S7闭合, 由于C1的电压不能突变，VC1保持为VCC，并加到C3上，C3的负端接VCC，所以C3的正端对地的电压为2VCC，S5、S7闭合，V+加到C2端，VC2=2VCC；接着脉冲为正，S5、S7断开， S5、S8闭合，C2两端的电压不能突变，VC2加到C4两端，此时正端接地，从负端引出的对地电压V-为-2VCC 。（2）MAX232 发送器当MAX232的工作电压为+ 5V，而RS2232的接收端负载为5k时， 发送器的输出电压为8V；输出电压的摆动保证在EIA/TIA2232E允许的范围内。即使在最差的情况即负载为3k、VCC=+4.5V、环境温度达到最高时，最小的输出驱动电平也为5V。空载输出电压范围从(V1.3V)到(V2+0.5V)。MAX232有两个发送器,若只用其中一个发送器,另外一个发送器的输入、输出端可以悬空。电压倍增器原理如图3.5所示。图3.5 电压倍增器原理图Fig.3.5 Principle of voltage multiplier发送器的输入端内置400k的上拉电阻，当输入端悬空时， 被上接至VCC，经反相器， 输出电平为低电平。上拉电阻耗电为12A ，所以悬空时的功耗很低。（3）MAX232 接收器接收器输入电平为RS2232 电平， 输出为TTL/CMOS电平。不使用的端口可以悬空，其输入端内置下拉电阻，经反相器，输出端为高电平。其引脚及内部原理图如图3.6所示。 图3.6 MAX232 引脚及内部结构图Fig.3.6 The pin and internal structure of MAX232根据图3.6对MAX232的引脚简要介绍如下：1）外接电容：有5个外接电容，进行电压的匹配和电源的去耦。2）TTL的输入：11和10引脚，连接单片机的TXD输出端。3）TTL的输出：12和9引脚，连接单片机的RXD输出埠。4）RS-232的输入：13和8引脚，连接RS-232的TXD输出端。5）RS-232的输出：14和7引脚,连接RS-232的RXD输出端。通过MAX232的TTL和RS-232的输入/输出端，自动地调节了单片机串口的TTL电平信号和RS-232的串口信号的电平匹配。MAX232与单片机连接的典型电路如图3.7所示：图3.7 MAX232与单片机的串口连接图Fig.3.7 Connection chart of MAX232（3）MAX232的应用MAX232 可以用作单片机和单片机之间、单片机和PC 机串行口之间的符合RS2232 串行接口电路。只要将待进行串行传输的设备的发送和接收端相应的接上, 编程即可。由于单片机的发送和接收程序在一般的参考书中均可查到, 本处不再一一赘述。如果要实现单片机和PC 机之间的数据传输, 则应该在PC 机的程序中加入设立数据缓冲区的序, 数据缓冲区的大小和待传输的数据帧有关, 应该根据实际的数据帧的大小通过实验的方法来选择以确保不出现数据的丢失。3.3控制单元模块设计控制单元模块主要完成对上位机机传来的数据信息的接收以及对发光二极管的控制。选用AT89C51RC单片机作为系统控制器，系统通电后，复位AT89C51RC芯片，开始运行片内及片外的程序，用以复位几同步各芯片及锁存器、计数器/计时器。然后系统开始正常工作：AT89C51RC作为数据交换和预算的中心负责从数据存储器中读出字模数据，接着再存进EEPROM X5045里，工作的时候，单片机从X5045里读出信息数据，传输给LED显示屏显示出来3.3.1 AT89C51RC单片机介绍AT89C51RC单片机是Atmel公司生产的一款标准型单片机。其中数字9表示内含Flash存储器，C表示CMOS工艺。其管脚图如图3.8所示。图3.8 AT89C51RC单片机管脚图Fig. 3.8 AT89C51RC tube feetAT89C51RC是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51RC是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51RC单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（1）主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：100写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 （2）管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/